TWI478319B - 整合式發光裝置及其製造方法 - Google Patents

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Description

整合式發光裝置及其製造方法
本發明係關於一整合式發光裝置及其製造方法，利用半導體製程將積體電路與發光元件予以整合。此整合式發光裝置並可藉由積體電路所設計的功能來控制發光元件，增加其應用性。
將發光元件與其他元件加以整合的技術不斷發展中，而目前逐漸普及的發光二極體由於其體積小、能耗低，各式的應用不斷衍生出來，因此如何將發光二極體整合在各種裝置的方法成為一有趣的課題。目前常見的整合裝置主要都是以一個外部的控制元件如PCB電路板為一主體，再與一封膠完成的發光二極體連接，進而透過此外部控制元件來驅動並控制此發光二極體使其發光。然而，此種整合式的發光裝置的體積往往因外部控制元件過大，無法滿足目前對電子產品要求在尺寸輕、薄、短、小下且功能要不斷擴充的需求。
本發明所揭露的整合式發光裝置包含一控制元件、一發光元件與一連接區。控制元件具有一積體電路區、複數個內連栓塞與複數個電源墊。連接區包含一第一導電區與一第二導電區。透過連接區可將控制元件與發光元件電性連接。因此，當電流經由一外部電源進入此整合式發光裝置時，可經由控制元件來控制此發光元件。又由於控制元件中的積體電路區可被設計成一多功能且體積小的控制電路，因此整合式發光裝置的應用領域可加以提升。而連接區利用與製作積體電路區的相同技術，使得在製作此整合式發光裝置時更有效率。
第一實施例：
如第1圖中所示，有一控制元件100，此控制元件100包含一半導體基板101，一積體電路區102與複數個電源墊103。積體電路區102形成於半導體基板101上，其中積體電路區102包含複數個內連栓塞1021及一介電區1022。複數個電源墊103形成於積體電路區102上。所述半導體基板101的材料可為目前常見的矽(Si)、鍺(Ge)、GaN、或GaAs，也可為任何一種能隙(band gap)大小介於導體與絕緣體之間的半導體材料。積體電路區102的形成方式主要是藉由，但不限於，目前半導體製程常用的黃光微影(Photolithography)、蝕刻(Etch)、薄膜(Thin Film)、與擴散(Diffusion)、離子植入(Ion Implant)等技術製造完成。
圖2a~2d進一步詳細地描述積體電路區102的形成方式。首先，如圖2(a)所示為一半導體基板101，具有一表面1011。其次，如圖2(b)所示在半導體基板101的表面1011形成複數個固態控制單元1023與複數個分隔區1024，任一固態控制單元1023包含至少一摻雜區(dopant area)1023a、一閘極(gate)1023b與至少一連線1023c。複數個固態控制單元1023可為場效電晶體(MOSFET)、二極體(Diode)、可程式元件(FPGA)、雙極性電晶體(BJT)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、結型場效應管(JFET)等。接著如圖2(c)所示，形成介電區1022與複數個內連栓塞1021，其中介電區1022可包含一層或一層以上的介電層，介電區1022的材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG(Fluorosilicate Glass)、PSG(Phosphosilicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)或氧化鋁(AlOx )等，製造方式可藉由CVD(Chemical Vapor Deposition)、Spin Coating等技術完成。複數個內連栓塞1021與固態控制單元1023電性連接。接著如第2(d)圖所示，在積體電路區102上方形成複數個電源墊103以完成控制元件100。上述的控制元件100由於具備邏輯電路的功能，因此當有一外部電源，例如一直流電源，可透過電源墊103將電流導入積體電路區102中的複數個固態控制單元1023，而控制元件100會依其所設計的電路進行運作。
第3圖顯示本實施例中所包含的一發光元件200，此發光元件可為一發光二極體、一雷射、一SoC(System on Chip)LED或上述選擇之任意組合。在本實施例中係以一發光二極體為例。發光二極體200包含一第一電極201、一第二電極202、一第一半導體層203、一第二半導體層204與一發光區205。為了提高出光效率，此發光二極體200也可選擇性地加入一反射層、一電流分散層(圖未示)。此發光元件200的形成方式是在一成長基板(圖未示)上以習知的發光二極體製造流程製造而成。半導體層與發光層的主要材料可為III-V族半導體材料，例如AlGaInP系列或GaN系列半導體材料：AlGaInP、AlInP、AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN，或II-VI族半導體材料，如、ZnSe、ZnSeCr、ZnSeTe、ZnS、CdSe等。
接著，如第4圖所示為一連接區300之形成過程示意圖。首先如第4(a)圖所示在控制元件100的積體電路區102上以例如薄膜技術沉積形成一導電薄膜305。接著，如第4(b)圖所示，以例如黃光微影與蝕刻等製程將導電薄膜305的部分去除，形成一包含第一導電區301與一第二導電區302之連接區300。另外，如第4(c)圖所示，可選擇性地再施加如黃光微影與蝕刻等製程將第一導電區301與第二導電區302製作成厚度相異的兩個導電區。第一導電區301與第二導電區302分別與控制元件100的內連栓塞1021電性連接。
第5(a)圖所示為將上述的控制元件100、發光二極體200與連接區300組合而成之一整合式發光裝置10A之示意圖。在此實施例中，與控制元件100連接的連接區300的第一導電區301電性連接發光二極體200的第一電極201；與控制元件100連接的連接區300的第二導電區301電性連接發光二極體200的第二電極202。連接區300的第一導電區301與第二導電區302與發光二極體200的第一電極201與第二電極202之間可以鍵接等方式予以接合。本實施例中，連接區300可進一步包含一絕緣區(圖未示)圍繞在第一導電區301與第二導電區302的周圍以避免導電區與外界環境產生電性干擾，並可改善整合式發光裝置10A的整體機械強度。絕緣區可透過CVD、Spin Coating等製程形成，其材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG、PSG、BPSG或氧化鋁(AlOx )等，也可透過填充(filling)的方式將例如為聚亞醯胺、苯并環丁烷、過氟環丁烷或環氧樹脂圍繞在第一導電區301與第二導電區302的周圍。
當有一外部電源50，例如一直流電源產生一電流時，可先透過控制元件的電源墊103導入發光裝置10A中，形成一如第5(b)與第5(c)圖的等效電路，亦即控制元件100為一源極(source)而發光二極體200為一汲極(drain)，或控制元件100為一汲極(drain)而發光二極體200為一源極(source)。連接區300為連接控制元件100與發光二極體200的線路。控制元件100可依應用的需要設計成數毫米至數厘米尺寸大小的晶片，再利用此一微小的控制元件100來控制及驅動發光二極體200。所整合形成的發光裝置具有較小的體積，製程也更為簡化。此外，整合式發光裝置10A完成後，可再進行封裝以形成一外形單一的整合式發光裝置。
控制元件100的積體電路區102可被設計成具有應用功能的控制元件，可以提供如整流、放大、等不同的功能。以目前講究輕薄短小的無線裝置為例，可以將一作為顯示模組的一背光源中的發光二極體200利用本發明所揭露的製程將此發光二極體透過連接區300與控制元件100─在此為上述的無線裝置的一主要控制電路─結合成一整合式發光裝置10A。接著透過控制元件100來調整發光二極體200的電流進而改變顯示模組的亮度。又或控制元件100可設計為一整流器，可將交流電轉換為直流電，因此整合式發光裝置10A於封裝完成後可直接利用交流電源進行發光。
第二實施例：
本發明所揭露的另一實施例如第6圖所示，包含一控制元件100B、一發光元件200B與一連接區300B。控制元件100B的結構與製作流程與第一實施例相同。發光元件200B為一垂直式結構的發光二極體，包含一第一電極201B、一第二電極202B、一第二半導體層204B與一發光層205B。連接區300B包含一第一導電區301B、一第二導電區302B與一電橋303B。發光元件200B的第一電極201B與連接區300B的第一導電區301B電性連接，發光元件200B的第二電極202B透過連接區300B的電橋303B與第二導電區302B電性連接。電橋303B可為一金屬線。本實施例中，連接區300B可進一步包含一絕緣區(圖未示)圍繞在第一導電區301B與第二導電區302B的周圍以避免與外界環境產生電性干擾，並可改善整合式發光裝置10B的整體機械強度。絕緣區可透過CVD、Spin Coating等製程形成，其材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG、PSG、BPSG或氧化鋁(AlOx )等，也可透過填充的方式將例如為聚亞醯胺、苯并環丁烷、過氟環丁烷或環氧樹脂圍繞在第一導電區301B與第二導電區302B的周圍。
第三實施例：
本發明所揭露的另一實施例10C如第7圖所示。本實施例包含一控制元件100C、一連接區300C與一發光元件200C。控制元件100C包含一半導體基板101C、一上表面110C、一下表面120C、一積體電路區102C、複數個電源墊103C，一第一連接墊104C、一第二連接墊105C、一第一穿透栓塞106C與一第二穿透栓塞107C。積體電路區102C包含複數個內連栓塞1021C及一介電區1022C。第一連接墊104C、第二連接墊105C與複數個電源墊103C形成於上表面110C。第一穿透栓塞106C與第二穿透栓塞107C分別自控制元件100C的上表面110C延伸至控制元件100C的下表面120C，並電性連接第一連接墊104C與第二連接墊105C。介電區1022C可包含一層或一層以上的介電層，介電區1022的材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG、PSG、BPSG或氧化鋁(AlOx )等，製造方式可藉由CVD(Chemical Vapor Deposition)、Spin Coating等技術完成。第一連接墊104C與第二連接墊105C的形成方式可在製作電源墊103C時，以同一步驟製作完成。發光元件200C可為一發光二極體、一雷射、或一SOC發光二極體，在本實施例中，是以一發光二極體為例。此發光二極體200C包含一第一電極201C、一第二電極202C、一第一半導體層203C、一第二半導體層204C、一發光區205C及選擇性地加入一反射層206C以增加出光效率。
連接區300C包含一第一導電區301C、一第二導電區302C、一絕緣區400C、以及一第一連接面320C。連接區300C以例如黃光微影、蝕刻、薄膜等製程在控制元件100C的下表面120C上形成第一導電區301C、第二導電區302C與絕緣區400C。第一導電區301C與第二導電區302C的組成材料可以為金屬、金屬化合物及其組合。絕緣區400C可為一由多層絕緣層組成的複合結構，其材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG、PSG、BPSG或氧化鋁(AlOx )等。製造方式可藉由CVD、Spin Coating或填充等技術完成。第一導電區301C電性連接控制元件100C的第一穿透栓塞106C，第二導電區302C電性連接第二穿透栓塞107C。
第8(a)-(b)圖進一步說明本實施例第一穿透栓塞106C與一第二穿透栓塞107C的製造流程示意圖。首先如第8(a)圖以例如黃光微影與蝕刻等技術自下表面120C蝕刻出延伸至上表面110C的一第一穿透孔1061C與一第二穿透孔1071C。接著如第8(b)圖所示，以化學氣相沉積(CVD)、濺鍍(Sputter)、電鍍(Electro Plating)或物理氣相沉積(PVD)等薄膜製程將單層或多層的金屬、金屬化合物及其組合填入第一穿透孔1061C與第二穿透孔1071C，進而形成第一穿透栓塞106C與第二穿透栓塞107C。在此要特別提出的是，製作電源墊、第一及第二連接墊與製作第一、第二穿透栓塞的順序是可以互相交換的，也就是除了上述的流程之外，也可以先完成第一、第二穿透栓塞再製作電源墊與連接墊。另外，為了減少第一與第二穿透栓塞對積體電路區102C的干擾，可選擇性地在形成第一穿透孔1061C與第二穿透孔1071C後，先在第一穿透孔1061C的內壁與第二穿透孔1071C的內壁鍍上一具介電性質的隔離層，接著再以化學氣相沉積、濺鍍、電鍍或物理氣相沉積等薄膜技術將單層或多層的金屬、金屬化合物及其組合填入第一穿透孔與第二穿透孔形成第一、第二穿透栓塞。
當有一外部電源，例如一直流電源產生一電流時，可透過控制元件100C的電源墊103C導入發光裝置10C中，形成一如第9(a)與第9(b)圖的等效電路。亦即控制元件100C為一源極(source)而發光二極體200C為一汲極(drain)，或控制元件100C為一汲極(drain)而發光二極體200C為一源極(source)。連接區300C為連接控制元件100C與發光二極體200C的線路。
藉由在控制元件100C中形成第一穿透栓塞106C與第二穿透栓塞107C，可將發光元件200C置於靠近控制元件100C的下表面120C之一側。由於第一穿透栓塞106C與第二穿透栓塞107C可在非積體電路區102C的其他區域完成，因此可避開控制元件100C內部複雜的積體電路區102C而增加製程的容忍度。本實施例的另一優點是，由於發光元件200C靠近控制元件100C的下表面120C之一側，控制元件100C的上表面110C上增加了空間，可與一第二控制元件連接並整合成一具多功能的系統。
第四實施例：
如第10(a)圖所示，此實施例包含一控制元件100D，具有一第一表面110D、一第二表面120D、一半導體基板101D、一積體電路區102D、複數個電源墊103D、一第一連接墊104D與一第一穿透栓塞106D。積體電路區102D包含複數個內連栓塞1021D、與一介電區1022D。第一連接墊104D與複數個電源墊103D形成於第一表面110D上，且第一連接墊104D電性連接積體電路區102D與第一穿透栓塞106D。電源墊103D可與外部電源電性連接，將電流導入控制元件100D中。第一穿透栓塞106D自控制元件100D的第一表面110D延伸至第二表面120D，並電性連接第一連接墊104D。第一連接墊104D可在同時製作電源墊103C時，以同一步驟製作完成。半導體基板101D有一延伸部1011D突出控制元件100D外。介電區1022C可包含一層或一層以上的介電層，介電區1022的材料可為氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氧化鈦(TiOx )、FSG、PSG、BPSG或氧化鋁(AlOx )等形成。製造方式可藉由CVD(Chemical Vapor Deposition)、Spin Coating等技術完成。第一穿透栓塞106D的製程與第三實施例中的第一穿透栓塞106C製程相同。
第10(b)~10(d)圖所示為連接區300D之製造流程示意圖。首先，以例如黃光微影與蝕刻等製程在半導體基板的延伸部1011D形成兩個連接孔303D，接著再如第10(c)圖所示以例如化學氣相沉積、濺鍍、電鍍、物理氣相沉積等製程及其組合將一導電層304D形成在控制元件100D的第二表面120D並填入連接孔303D中。導電層304D的材料可為單層或多層的金屬、金屬化合物及其組合。最後，如第10(d)圖所示，以例如黃光微影與蝕刻等製程形成第一導電區301D與第二導電區302D，其中第一導電區301D電性連接第一穿透栓塞106D。在本實施例中，連接區300D可利用控制元件100D的半導體基板的延伸部1011D的部分加以完成，不需另外製作絕緣區來包覆第一與第二導電區。
第11圖顯示透過連接區300D將一發光二極體200D與控制元件100D連接形成一整合式發光裝置10D。此整合式發光裝置10D可在製作完成後，再透過連接區300D的第二導電區302D與一第二發光元件電性連接。又由於發光元件200D是在半導體基板的延伸部1011D與控制元件100D電性連接，因此可以利用控制元件100D的第一表面110D再與其他元件，如一第二控制元件或一第二發光元件連接。
第五實施例：
在本實施例中，如第12(a)~(b)圖所示，有一半導體晶圓500，在此晶圓上形成複數個控制元件100E與複數個連接區300E。控制元件與連接區的製造方法與上述諸實施例相似，是以例如黃光微影、蝕刻、薄膜、擴散與離子植入等製程進行，而於本實施例中係於一晶圓級製程(wafer level process)下完成，因而可以快速且大量的同時完成複數個控制元件100E與連接區300E。本實施例又包含一載板600，包含複數個發光元件200E。接著如圖12(b)所示，將此複數個發光元件200E與複數個連接區300E以鍵接的方式接合，因此控制元件100E與發光元件200E透過連接區300E電性連接。最後再如圖13將載板600移除，形成複數個整合式發光裝置10E。此複數個整合式發光裝置10E可以分別切割成單一個整合式發光裝置10E，或者也可依需要切割成一發光系統包含一個以上的整合式發光裝置10E的。
第14圖係繪示本發明一實施例包含一背光模組700。其中，背光模組裝置700包含由本發明上述任意實施例之發光裝置711所構成的光源裝置710、置於光源裝置710之出光路徑上的光學裝置720以將光做適當處理後出光、以及電源供應系統730以提供上述光源裝置710所需之電源。
第15圖係本發明實施例之照明裝置800的示意圖。其中，照明裝置800可為車燈、街燈、手電筒、路燈或指示燈等等。其中，照明裝置800可包括由本發明上述之任意實施例的發光裝置811所構成光源裝置810、電源供應系統820以提供光源裝置810所需之電源、以及控制元件830用以控制電流輸入光源裝置810。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
101‧‧‧半導體基板
102‧‧‧積體電路區
103‧‧‧電源墊
201‧‧‧第一電極
202‧‧‧第二電極
203‧‧‧第一半導體層
204‧‧‧第二半導體層
205‧‧‧發光區
301‧‧‧第一導電區
302‧‧‧第二導電區
302‧‧‧第二導電區
第1圖顯示一整合式發光裝置各部元件；第2(a)-2(d)圖顯示一整合式發光裝置的一控制元件的製造流程；第3圖顯示一發光二極體；第4(a)-4(c)圖顯示一整合式發光裝置的一連接區的製造流 程；第5(a)-(c)圖顯示本發明所揭露之一實施例及其等效電路；第6圖顯示本發明所揭露之一實施例；第7圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第8(a)-8(b)圖顯示本發明所揭露之製造流程；第9(a)-9(b)圖顯示本發明所揭露之一實施例之等效電路第10(a)-10(d)圖顯示本發明所揭露之一實施例之製造流程；第11圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第12(a)-12(b)圖顯示本發明所揭露之又一實施例之製造流程；第13圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第14圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第15圖顯示本發明所揭露之又一實施例；
101‧‧‧半導體基板
102‧‧‧積體電路區
1021‧‧‧內連栓塞
1022‧‧‧介電層
103‧‧‧電源墊
201‧‧‧第一電極
202‧‧‧第二電極
204‧‧‧第二半導體層
205‧‧‧發光區
301‧‧‧第一導電區
302‧‧‧第二導電區

Claims (10)

  1. 一整合式發光裝置，包含：一控制元件包含一半導體基板，一積體電路區形成於該半導體基板上，以及複數個電源墊形成於該積體電路區上；一發光元件包含一發光區、一第一電極、以及一第二電極，其中該發光元件位於該半導體基板之下；一連接區，其中該連接區包含一第一導電區與一第二導電區，該發光元件之第一電極藉由該第一導電區電性連接該控制元件，該發光元件之第二電極藉由該第二導電區電性連接該控制元件；以及一穿透栓塞穿過該半導體基板；其中該半導體基板位於該發光元件與該積體電路區之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中，該控制元件又包含一連接墊與該穿透栓塞連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該穿透栓塞包含金屬以及一隔離層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該發光元件又包含一反射層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該連接區又包含一電橋與該發光元件連接。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該穿透栓塞電性連接該積體電路區以及該連接區。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，更包含一連接墊形成在該積體電路區上，其中該穿透栓塞電性連接該連接墊以及該第一導電區。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的整合式發光裝置，更包含另一穿透栓塞穿過該半導體基板，以及另一連接墊形成在該積體電路區上，其中該另一穿透栓塞電性連接該另一連接墊以及該第二導電區。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該積體電路區形成在該半導體基板的一第一表面上，該連接區形成在該半導體基板的一第二表面上，該第一表面與該第二表面在相對側。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的整合式發光裝置，其中該穿透栓塞穿過該積體電路區。
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